Новое исследование раскрывает механизм сбора света растениями при слабом освещении
Фотосинтез — это биологический процесс преобразования солнечной энергии в химическую. Кислородный фотосинтез, осуществляемый растениями, водорослями и цианобактериями, — одна из самых удивительных химических реакций на планете. Он обеспечивает пищу и энергию почти для всех живых организмов, а также способствует формированию атмосферы и поддержанию углеродно-кислородного баланса на Земле.
У растений первичная световая реакция фотосинтеза начинается в фотосистеме II (PSII) — встроенном в мембрану надмолекулярном комплексе, ответственном за катализ реакции расщепления воды. Вокруг PSII множество периферических антенных комплексов динамически связываются с ней, образуя суперкомплексы PSII-LHCII переменного размера в ответ на разные условия освещения.
Суперкомплекс типа C2S2M2 известен как самая крупная стабильная форма PSII-LHCII, выделенная из арабидопсиса и гороха, и имеет решающее значение для достижения растениями оптимальной эффективности сбора света в условиях слабого освещения.
Группы под руководством ЧАН Вэньжуй-ЛИ Мэй, ЧЖАН Синьчжэна и ЛЮ Чжэньфэна из Института биофизики (IBP) Китайской академии наук использовали криоэлектронную микроскопию (крио-ЭМ) для определения структур суперкомплекса PSII-LHCII типа C2S2M2 из гороха с разрешением 2.7 Å и 3.2 Å соответственно.
Структура суперкомплекса C2S2M2 с разрешением 2.7 Å представляет собой самую высокодетализированную структуру мембранных белковых комплексов, решённую методом одночастичной крио-ЭМ на сегодняшний день. Суперкомплекс имеет общую молекулярную массу 1.4 мегадальтона и образует гомодимер. Каждый мономерный PSII-LHCII содержит 28 или 27 белковых субъединиц и связывает 159 хлорофиллов, 44 каротиноида и множество других кофакторов.
В ходе этого исследования с высокой детализацией были раскрыты общие структурные особенности и расположение каждой отдельной субъединицы, а также сложная сеть пигментов и полные пути переноса энергии внутри суперкомплекса. Кроме того, сравнение двух структур C2S2M2, определённых в разных состояниях, указывает на потенциальный механизм функциональной регуляции процесса сбора света и кислород-выделяющей активности PSII растений.
Исследование под названием "Structure and assembly mechanism of plant C2S2M2-type PSII-LHCII supercomplex" было опубликовано в журнале Science 25 августа 2017 года. Этот прорыв стал результатом непрерывной и настойчивой работы команды IBP после их предыдущей работы над крио-ЭМ структурой суперкомплекса PSII-LHCII типа C2S2 из шпината, опубликованной в журнале Nature годом ранее.